DE19931167A1

DE19931167A1 - Device for monitoring the slope of a site

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Publication number: DE19931167A1
Application number: DE19931167A
Authority: DE
Inventors: Martin Schreck; Makoto Nishigaki; Wolfgang Ecke; Siegmund Schroeter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2000-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes zwischen zwei verschiedenen hoch gelegenen Ebenen oder geneigten Begrenzungsflächen, z. B. eines Dammes oder dergleichen Sperrbauwerkes mit mindestens einem Steigrohr, welches in die Böschung verbracht und dort bodenseitig verankert ist, wobei am Steigende faseroptische Sensorkabel angeordnet sind.The invention relates to a device for monitoring the inclination of a terrain between two different high levels or inclined boundary surfaces, for. B. a dam or similar barrier structure with at least one riser pipe, which is placed in the embankment and anchored there on the ground side, fiber-optic sensor cables are arranged at the rising end.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes zwischen zwei verschiedenen hoch gelegenen Ebenen oder geneigten Begrenzungsflächen, z. B. eines Dammes oder dergleichen Sperrbauwerkes mit mindestens einem Steigrohr, welches in die Böschung verbracht und dort bodenseitig verankert ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for monitoring the Slope of a terrain between two different high located levels or inclined boundary surfaces, e.g. B. one Dam or similar barrier structure with at least one Riser pipe, which is placed in the embankment and there is anchored to the floor, according to the preamble of claim 1 and the use of such a device.

Es ist bekannt, z. B. zum Überwachen von Böschungsrutschungen Neigungsmesser in Steigrohren anzuordnen.It is known e.g. B. for monitoring embankment landslides Arrange inclinometer in risers.

Die Neigungsmesser, d. h. sogenannte Inklinometer, werden in die Steigrohre eingeführt, und durch ein z. B. vorgesehenes Pendel wird die Rohrbiegung als Maß für Geländebewegungen ermittelt.The inclinometers, i. H. so-called inclinometers, are in the Risers introduced, and by a z. B. provided pendulum the pipe bend is determined as a measure of terrain movements.

In dem Falle, wenn der Rohrquerschnitt aufgrund des Abgleitens der Böschung sehr stark verformt ist, kann eine Neigungsmessung mit bekannten Mitteln nicht oder nur teilweise durchgeführt werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß ein im Rohr befindlicher Neigungsmesser aufgrund der Rohrverformung beschädigt wird. Hier wäre es notwendig, eine neue Bohrung auf der an sich gefährdeten Böschung einzubringen und ein neues Steigrohr abzuteufen. Es besteht dann jedoch die Gefahr, daß Mensch und Technik in Mitleidenschaft gezogen werden. In the case when the pipe cross section due to the sliding the slope is very strongly deformed, an inclination measurement can not or only partially carried out with known means become. In addition, there is a risk that one in the pipe inclinometer due to the tube deformation is damaged. Here it would be necessary to drill a new hole to bring in the endangered embankment and a new one To sink riser pipe. However, there is then a risk that Humans and technology are affected.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung zum Überwachen der Neigung eines Geländes zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Ebenen, z. B. einer Böschung oder geneigten Begrenzungsflächen eines Dammes oder dergleichen Sperrbauwerkes anzugeben, wobei die Meßgenauigkeit zu verbes sern ist, ohne daß auch im Falle starker Verformungen der einzusetzenden Steigrohre die Meßtechnik vor Ort erneuert werden muß.It is therefore an object of the invention to develop one Device for monitoring the slope of a terrain between two different levels, z. B. an embankment or inclined boundary surfaces of a dam or the like Specify barrier structure, the measuring accuracy too verbes sern without, even in the case of severe deformations risers to be used renewed the measuring technology on site must become.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Vor richtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen darstellen.The object of the invention is achieved with a front direction according to the features of claim 1, wherein the Sub-claims at least advantageous developments and Represent configurations.

Erfindungsgemäß wird die Durchbiegung des Steigrohres oder eines entsprechenden elastischen Stabes mittels faseroptischen Sensorkabels bestimmt. Hierfür werden mehrere Kabel mit dem Rohr bzw. Stab form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden und verschiebungsfrei geführt.According to the invention, the deflection of the riser or a corresponding elastic rod by means of fiber optic Sensor cable determined. For this, several cables with the Pipe or rod connected positively, non-positively and / or materially and guided without displacement.

Die Durchbiegung des Rohres, bedingt durch Geländebewegungen in der Böschung, bewirkt eine Streckung bzw. Stauchung des Rohres. Die hier auftretenden Kräfte werden mindestens teilweise auf die Faseroptik übertragen und sind durch faseroptische Meß mittel bestimmbar. Die Durchbiegungsrichtung des oder der Steigrohre(s) kann durch eine Dehnungsmessung an verschiedenen Punkten des Rohres oder Querschnittes ermittelt werden. Durch die faseroptische Sensorik ist es möglich, über die nicht unerhebliche Länge des Steigrohres ortsaufgelöste Biegemaße zu ermitteln.The deflection of the pipe, caused by terrain movements in of the embankment causes the pipe to stretch or compress. The forces occurring here are at least partially the fiber optics are transmitted and are by fiber optic measurement medium determinable. The direction of deflection of the or Riser pipes (s) can be measured at various strain gauges Points of the pipe or cross section can be determined. Due to the fiber optic sensors, it is not possible irrelevant length of the riser pipe with locally resolved bending dimensions determine.

Die Meßwerte respektive die ermittelten Durchbiegungen liegen in einem wesentlich größeren Bereich als mit Dehnmeßstreifen nachweisbar, bei welchen lediglich Dehnungen bis ca. 3% be stimmbar sind. The measured values or the determined deflections lie in a much larger area than with strain gauges detectable, in which only strains up to approx. 3% be are tunable.

Mit einer Winkelanordnung der Fasern, d. h. einem vorgegebenen Steigungswinkel, und dem spiral- oder wendelförmigen Fixieren der Faseroptik am Rohr oder Stab kann die Meßauflösung erhöht werden, ohne daß die maximal zulässige Faserdehnung über schritten wird. Bevorzugt werden Faser- oder Bragg-Gitter-Sen soren eingesetzt.With an angular arrangement of the fibers, i. H. a given Pitch angle, and the spiral or helical fixing The fiber optics on the tube or rod can increase the measurement resolution without exceeding the maximum allowable fiber elongation is taken. Fiber or Bragg grid sen are preferred sensors used.

Dadurch, daß umfangsseitig sich in axialer Richtung, d. h. längs des Rohres, mehrere faseroptische Sensorkabel erstrecken, ist die Bestimmung einer Biegerichtung möglich, und es kann die Bewegungsrichtung einer Gleitfläche beim Abrutschen z. B. einer Böschung ermittelt werden.The fact that the circumferential side in the axial direction, ie. H. along of the tube, several fiber optic sensor cables extend the determination of a bending direction possible, and it can Direction of movement of a sliding surface when sliding z. B. one Embankment can be determined.

In einer Ausführungsform werden mindestens drei Kabel umfangs seitig sich in Längsrichtung erstreckend verteilt angeordnet, wobei das Optimum unter dem Aspekt der Erkennung der Biege richtung im Bereich von vier bis acht Kabeln liegt.In one embodiment, at least three cables are circumferential arranged laterally extending in the longitudinal direction, taking the optimum in terms of the detection of the bending direction is in the range of four to eight cables.

Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, durch die Wahl des Rohrmaterials bzw. der Wandstärke oder durch Verfüllen des Rohres mit einem Medium die Biegeelastizität gezielt zu verändern, um z. B. auch nachträglich eine Anpassung an die geologischen oder sonstigen Umweltgegebenheiten herbeizuführen, so daß der Meß- und Einsatzbereich der Vorrichtung vergrößert wird.According to the invention there is also the possibility of Choice of pipe material or wall thickness or by backfilling the bending elasticity of the tube with a medium change to e.g. B. also an adjustment to the bring about geological or other environmental conditions, so that the measuring and application range of the device is enlarged becomes.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Innenquer schnitt des Steigrohrs frei und kann eine zusätzliche, ver änderbare, stabilisierende Funktion übernehmen. Wie erwähnt, kann bei starker Verformung des Trägerrohrs durch Einbringen eines zweiten Mediums in den Innenraum des Rohres dieses stabilisiert werden, wodurch der Meßbereich des Sensors quasi voreinstellbar ist oder der Meßbereich eines bereits bestehenden Sensors erweitert werden kann.In one embodiment of the device, the inner cross is cut the riser pipe freely and an additional ver changeable, stabilizing function take over. As mentioned, can in case of strong deformation of the carrier tube by insertion a second medium in the interior of the tube this can be stabilized, making the measuring range of the sensor quasi is preset or the measuring range of one already existing sensor can be expanded.

Weiterhin wesentlich ist die Möglichkeit der gekoppelten Über wachung von Temperatur- und Streßprofil mittels des faser optischen Sensors. Demnach können bevorzugte Fließwege entlang der Gleitfläche bestimmt werden, da diese regelmäßig Verände rungen im Temperaturprofil hervorrufen.The possibility of coupled over is also essential monitoring of temperature and stress profile using the fiber optical sensor. Accordingly, preferred flow paths can be along the sliding surface can be determined, as these regularly change cause changes in the temperature profile.

Der Sensor selbst weist eine lange Lebensdauer auf und die Gefahr einer plötzlichen Unbrauchbarkeit ab einer bestimmten Teufe ist gering.The sensor itself has a long service life and that Danger of sudden uselessness from a certain point Depth is low.

Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit der Kopplung mehrerer Sensoren unter Bildung einer Sensorkette, wodurch eine drei dimensionale Online-Überwachung z. B. einer Böschungsrutschung oder eines lawinengefährdeten Gebiets realisierbar ist.According to the invention, there is the possibility of coupling several Sensors forming a sensor chain, creating a three dimensional online monitoring e.g. B. a slope slide or an area at risk of avalanches.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game and explained with the help of figures become.

Die Fig. 1 zeigt hierbei eine Draufsicht auf ein Steigrohr 5 mit außenumfangsseitig angeordneten faseroptischen Sensorkabeln 1 bis 4, und die Fig. 2 eine seitliche Ansicht einer Böschung 6 mit dort eingebrachtem Steigrohr 5.The Fig. 1 in this case shows a top view of a riser pipe 5 with the outer circumference side arranged fiber optic sensor cables 1 to 4, and Fig. 2 is a side view of a boom 6 with introduced there riser 5.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein an sich bekanntes Steigrohr 5 außenumfangsseitig mit z. B. vier faseroptischen Sensorkabeln 1 bis 4 versehen, die fest, z. B. stoffschlüssig, mit dem Rohr mantel verbunden sind. Die Sensorkabel 1 bis 4 sind so verteilt umfangsseitig fixiert, daß eine möglichst genaue Bestimmung der Biegerichtung erfolgen kann.As shown in Fig. 1, a well-known riser 5 is the outer circumference with z. B. four fiber optic sensor cables 1 to 4 , the fixed, z. B. cohesive, are connected to the pipe jacket. The sensor cables 1 to 4 are fixed around the circumference so that the bending direction can be determined as precisely as possible.

Bei der mit Pfeildarstellung versehene Einwirkungsrichtung der Biegekräfte ergibt sich eine Biegezone -2 und -3 sowie eine Druckzone +1 und +4.In the direction of action provided with arrows Bending forces result in a bending zone -2 and -3 as well as a Print zone +1 and +4.

Das Steigrohr 5 gemäß Fig. 2 befindet sich z. B. in einer Böschung 6 und ist bodenseitig verankert, wobei beim Ausbilden einer Gleitfläche Biegekräfte auf das Rohr einwirken. Figürlich ist mit A der Ausgangszustand und mit B der Biegezustand bezeichnet. The riser 5 shown in FIG. 2 is z. B. in an embankment 6 and is anchored on the bottom, wherein bending forces act on the tube when forming a sliding surface. Fig. A denotes the initial state and B the bending state.

Die Fig. 3 zeigt einen Längsteilschnitt sowie einen Querschnitt eines Sensorrohrs gemäß Ausführungsbeispiel und die Fig. 4 einen solchen Sensor in einer teilweggebrochenen perspekti vischen Darstellung. Fig. 3 shows a partial longitudinal section and a cross section of a sensor tube according to the embodiment and Fig. 4 such a sensor in a partially broken perspective view.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, ist das Sensorkabel 1 zwischen einem Außenrohr 7 und einem Innenrohr 6 über Halte ringe 8 fixiert. Die Halteringe 8 klemmen oder pressen das Sensorkabel 1 an das Innenrohr, wobei die Halteringe 8 in Ausnehmungen 9 längsverlaufender Rippen 10 befindlich sind. Das Innenrohr 6 mit den Längsrippen 10, welche die Ausnehmungen 9 aufweisen, kann bevorzugt einstückig aus Kunststoff gefertigt sein.3 and 4 as seen from the Fig., The sensor cable 1 between an outer tube 7 and an inner tube 6 by means of retaining rings 8 is fixed. The retaining rings 8 clamp or press the sensor cable 1 onto the inner tube, the retaining rings 8 being located in recesses 9 in longitudinal ribs 10 . The inner tube 6 with the longitudinal ribs 10 , which have the recesses 9 , can preferably be made in one piece from plastic.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer konstruktiven Variante eines Sensorstücks, das aneinandergefügt ein längeres Rohr entsprechend der gewünschten Teufe ergibt. Durch die leicht handhabbaren Rohrstücke gemäß Fig. 5 ergibt sich eine akzep table Transportlänge, ohne daß die maximale Sensorlänge ein geschränkt ist. Das in den Fig. 3 bis 5 erkennbare Außenrohr 7 schützt das Sensorkabel bzw. die Fasern gegen den Druck des umgebenden Mediums, z. B. Erddruck. Fig. 5 shows a longitudinal section of a constructive variant of a sensor piece which, when joined together, results in a longer tube corresponding to the desired depth. By the easily manageable pieces of pipe of FIG. 5 results in a akzep table transport length, without the maximum length of a sensor is limiting. The recognizable in FIGS . 3 to 5 outer tube 7 protects the sensor cable or the fibers against the pressure of the surrounding medium, for. B. Earth pressure.

Das Sensorkabel kann vor Ort am Innenrohr montiert werden mit anschließendem Überschieben des Außenrohrs, jedoch können auch komplette Segmentstücke fertiggestellt werden, wobei entspre chende Verbindungen für die Faserkabel vorzusehen sind.The sensor cable can be mounted on the inner tube with then sliding the outer tube, but can also Complete segment pieces are completed, with appropriate connections for the fiber cables are to be provided.

Fig. 6 demonstriert tabellarisch dargestellt Versuchsergeb nisse, die mit einem realisierten Sensor erhalten wurden, wobei Durchbiegungsrichtungen gut erkennbar sind. Fig. 6 demonstrates tabulated test results obtained with a realized sensor, with deflection directions are clearly visible.

Durch die Vorspannung der Faserkabeln lassen sich sowohl Dehnungs- als auch Stauchungszonen bestimmen. Hierbei werden an vier Punkten des Sensors Daten gewonnen, die die erwähnte Richtungsbestimmung der Verschiebung über Zeit und Weg gestatten. Bei einer einfachen Versuchsanordnung wurde ein Richtungsfehler < 10% bis maximal 30% bei einer Durchbiegung von 270° festgestellt. Als Fehlerursache konnte ein Nachgeben der Vorspannung eines der Faserkabel festgestellt werden, was durch eine optimierte Befestigung, welche rutschfrei gestaltet ist und die eine gleiche Vorspannung auf allen Fasern sichert, überwunden wurde.The pretensioning of the fiber cables allows both Determine expansion and compression zones. Here are on four points of the sensor obtained data that the mentioned Determining the direction of the displacement over time and distance allow. In a simple experimental setup, a Direction error <10% up to a maximum of 30% with a deflection of 270 ° determined. Giving in to the Bias of one of the fiber cables can be determined by what an optimized fastening, which is designed non-slip and which ensures an equal tension on all fibers, was overcome.

Das Innere des Rohres kann bei veränderten Umgebungsbedingungen durch ein Medium verfüllt oder ausgefüllt werden, so daß das Rohr größeren Biegekräften Stand hält und damit quasi eine Meßbereichserweiterung bewirkbar ist. Auch ist der Einsatz von elastischen Stäben anstelle von Rohren möglich.The inside of the pipe can change with changing environmental conditions filled or filled in by a medium, so that the Pipe withstands greater bending forces and thus virtually one Measuring range expansion can be effected. The use of elastic bars instead of tubes possible.

In einer figürlich nicht dargestellten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, das faseroptische Sensorkabel wendel- oder spiralförmig außenseitig des Steigrohres, auch mit gegenläufi ger Wicklung anzuordnen, um größere Durchbiegungen erfassen zu können, ohne daß eine maximale Dehnung oder Stauchung des fa seroptischen Kabels überschritten wird.In an embodiment not shown in the figure the possibility of using the fiber optic sensor cable spiral outside of the riser pipe, also with counter-rotating ger winding to arrange to detect larger deflections can without a maximum stretching or compression of the fa seroptic cable is exceeded.

Mittels der Erfindung gelingt es in besonders einfacher Weise, bekannte Neigungswinkelmesser zum Ermitteln von z. B. Rutschun gen an Böschungen zu ersetzen, wobei gleichzeitig eine verbes serte Ortsauflösung und ein größerer Meßbereich, insbesondere bezüglich bekannter Dehnmeßstreifen gegeben ist. Faseroptische Sensoren sind kostengünstig herstellbar, wobei durch Hinter einanderschalten mehrere Sensoren auch über mehrere Steigrohre eine leichtere Auswertung der Meßergebnisse erfolgen kann.By means of the invention, it is possible in a particularly simple manner Known inclinometer for determining z. B. Rutschun to replace embankments, at the same time a better Serte spatial resolution and a larger measuring range, in particular with respect to known strain gauges. Fiber optic Sensors are inexpensive to manufacture, with rear interconnect multiple sensors via multiple risers the measurement results can be evaluated more easily.

Claims

1. Device for monitoring the slope of a terrain between two different levels or points or inclined boundary surfaces z. B. a dam or the same barrier structure with at least one riser pipe or rod, which or which is placed in the embankment and anchored there on the ground, characterized in that on or in the riser pipe or rod form, force and / or cohesive several fiber optic Sensor cables are arranged, the deflection of the riser pipe can be determined in a spatially resolved manner via the fiber optics.

2. Device according to claim 1, characterized, that the fiber optic sensor cable is in the axial direction extend along the riser and at least three cables are provided distributed around the circumference.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized, that the bending strength of the riser pipe by subsequent Introducing a medium to changed geological or Inclination conditions can be adjusted to extend the measuring range.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized, that preferably four to eight are equally distributed on the circumference longitudinal sensor cable on the outside of the tube are arranged.

5. The device according to claim 1, characterized, that the fiber optic sensor cable is helical or spiral Riser pipe surrounds.

6. The device according to claim 5, characterized, that for the detection of compression and stretching fiber optic The riser pipe is offset in opposite directions in pairs surround.

7. Use of the device according to one of claims 1 to 6 for monitoring avalanches or glaciers as well as for the Early detection of possible volcanic eruptions.